數(shù)據(jù)挖掘下的排球動員訓(xùn)練評價模型

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摘要：為了提高排球運動發(fā)展水平，使運動員取得更好的成績，科學(xué)、系統(tǒng)的訓(xùn)練是實現(xiàn)這一目標(biāo)的最基礎(chǔ)保障，而訓(xùn)練強度大，動作不規(guī)范易發(fā)生損傷，運動員潛藏的小動作影響技術(shù)水平發(fā)揮等問題，在一定程度上影響著訓(xùn)練效果。針對以上問題，提出基于數(shù)據(jù)挖掘的排球運動員訓(xùn)練動作評價模型研究，通過深度成像的方式建立運動員的三維數(shù)據(jù)信息庫，以數(shù)據(jù)挖掘算法分析數(shù)據(jù)，經(jīng)過和排球運功員動作特征庫的對比評價分析，得出評價結(jié)果。經(jīng)過實驗評估，證明設(shè)計的評價模型可實時采集排球運動員的速度，力量，技術(shù)等信息，以數(shù)據(jù)信息為依據(jù)規(guī)范動作，適合在排球運動的長期訓(xùn)練中使用。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)挖掘；排球運動員；訓(xùn)練；動作評價模型

排球運動是一項受眾廣泛的運動項目，排球運動自誕生以來已有一百多年的歷史，從一項娛樂活動演變?yōu)橛忻鞔_的規(guī)則，競爭激烈的比賽運動[1]。排球運動員肩負(fù)著國家的榮譽，他們長期處于高強度的訓(xùn)練中，并且要保持體能，速度，技術(shù)，心理等多方面因素的協(xié)調(diào)發(fā)展，因此急需科學(xué)、先進(jìn)的訓(xùn)練技術(shù)。但排球運動員和教練難以及時的發(fā)現(xiàn)排球運動員訓(xùn)練中動作的問題，若問題長期存在，則會對運動員造成身體機(jī)能的損傷和體能的變化等，加大了制定訓(xùn)練計劃的難度。針對以上問題，采用數(shù)據(jù)挖掘處理算法對運動員訓(xùn)練中的動作規(guī)范性進(jìn)行評價，以期及早發(fā)現(xiàn)運動員深層次的動作缺陷，實現(xiàn)科學(xué)訓(xùn)練。

1基于數(shù)據(jù)挖掘的排球運動員訓(xùn)練動作評價模型

基于數(shù)據(jù)挖掘的排球運動員訓(xùn)練動作評價模型的基本流程如圖1所示：模型需要的原始數(shù)據(jù)是排球運動員的動作特征數(shù)據(jù)，是評價的參考數(shù)據(jù)。被測試的排球運動員首先注冊賬號，登錄模型，錄入基本信息，包括性別，年齡，身高和體重，場上位置等等，建立運動員的檔案，有利于長期的訓(xùn)練動作評價分析。之后在測試過程中自動導(dǎo)入通過硬件設(shè)備獲取的訓(xùn)練動作數(shù)據(jù)，經(jīng)過模型評價分析，排球運動員可以查詢自己的評價結(jié)果。用戶設(shè)定部分有權(quán)限設(shè)置，教練可以查看所有運動員的評價結(jié)果，以此調(diào)整訓(xùn)練計劃。1.1排球運動員訓(xùn)練動作數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)采集設(shè)備配有1個廣角彩色攝像頭，1個紅外投影機(jī)(紅外發(fā)射器)，1個深度攝像頭，4個麥克風(fēng)陣列等部件。廣角彩色攝像頭可以360度旋轉(zhuǎn)，根據(jù)人群的距離自動調(diào)整。麥克風(fēng)陣列可以準(zhǔn)確地定位聲源，并且可以起到抑制噪聲的作用[2]。紅外投影機(jī)和深度攝像頭的結(jié)合構(gòu)成了設(shè)備的深度傳感器，在運行時，每一個像素點上的灰度值可以得出該點代表的深度值，就是被測的排球運動員對應(yīng)點到深度攝像頭的垂直距離。這些設(shè)備的組合可以準(zhǔn)確地把排球運動員和場景分割開，使排球訓(xùn)練場的前后景分離，從運動的排球運動員中捕捉訓(xùn)練動作三維數(shù)據(jù)信息。深度圖像獲取使用的是光子飛行時間技術(shù)，獲取運動員到紅外發(fā)射器的平面距離s計算公式為:公式(1)中，k表示為光速，約等于3×108m/s，m是調(diào)制光頻率(紅外投影機(jī))，Δβ代表發(fā)射光信號和反射光信號間的相位差。通過這個公式計算可以得到的訓(xùn)練場空間的深度值，獲取運動員三維位置信息。這個技術(shù)相對穩(wěn)定，抗光線干擾的能力強，獲取精度比傳統(tǒng)設(shè)備有很大提高。排球運動員在訓(xùn)練中，身體結(jié)構(gòu)不會發(fā)生變化，不會因為身高體重而受到影響，則本文模型選取關(guān)節(jié)的三維空間數(shù)據(jù)來識別運動員的運動情況，選取了左肘、右肘、左膝、右膝為主的15個關(guān)節(jié)點來作為動作跟蹤。模型中設(shè)置了三種狀態(tài)來表示數(shù)據(jù)獲取情況，如表1所示。三種狀態(tài)在數(shù)據(jù)采集設(shè)備上有提示燈顯示，綠色是正常跟蹤，黃色代表推測，紅色代表跟蹤失敗，使用時可以根據(jù)提示燈及時調(diào)整設(shè)備狀態(tài)。1.2排球運動員訓(xùn)練動作數(shù)據(jù)評價排球運動員訓(xùn)練動作評價模型評價的主要參照數(shù)據(jù)是排球運動員動作特征庫的內(nèi)容。排球比賽是隔網(wǎng)對抗型運動，和武術(shù)、體操等有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)動作姿態(tài)的運動不同，排球動作的規(guī)定，主要是根據(jù)人體生物學(xué)等原理，以最省力的技術(shù)完成有效扣球[3]。排球運動員動作特征庫判定合理的技術(shù)動作，要綜合發(fā)力順序，發(fā)力規(guī)律等諸多技術(shù)要領(lǐng)來設(shè)定。由于每個運動員的動作幅度不同，排球技術(shù)動作，姿態(tài)沒有統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)，每個運動員的動作在完成上會有一定范圍的差異，這些差異不會影響發(fā)球的質(zhì)量，動作連貫性，所以同樣是合理有效的。對不同的技術(shù)動作要分類進(jìn)行提取，建立相應(yīng)的動作特征表，形成動作特征數(shù)據(jù)庫。以攔網(wǎng)為例，副攻準(zhǔn)備好攔網(wǎng)后，以右腳離地為開始，中間使用交叉步做攔網(wǎng)動作，最后以雙腳落地為結(jié)束[4]。對這個動作進(jìn)行動力學(xué)、解剖學(xué)的分析，結(jié)果如下表所示。根據(jù)分析結(jié)果查閱文獻(xiàn)，進(jìn)行專家訪談，了解有可能破壞動作合理性，流暢性的關(guān)鍵性指標(biāo)。有了方向之后，以實際獲取的運動員訓(xùn)練中的動作數(shù)據(jù)做分析，選取20名優(yōu)秀排球運動員，20名普通排球運動員，做左髖，左膝，右踝，右髖，右膝，右踝關(guān)節(jié)角度測試數(shù)據(jù)的分析。分析結(jié)果與預(yù)測一致，優(yōu)秀排球運動員這個啟動動作的所有關(guān)節(jié)角度都要小于普通運動員，由此可知，啟動動作的角度直接影響了動作速度，合理的啟動角度有利于身體的協(xié)調(diào)和能量的傳遞[5]。在這個結(jié)論的基礎(chǔ)上調(diào)取大量優(yōu)秀排球運動員的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)，分析得出數(shù)據(jù)區(qū)間，作為排球運動員動作特征庫的數(shù)據(jù)，并把這些影響動作的因素錄入動作特征庫中，做評價分析的參考。

2實驗評估

為了測試本文提出的基于數(shù)據(jù)挖掘的排球運動員訓(xùn)練動作評價模型的有效性，進(jìn)行實驗評估。在訓(xùn)練場地的相同位置安裝本文的訓(xùn)練動作評價模型數(shù)據(jù)采集設(shè)備和傳統(tǒng)的訓(xùn)練動作評價模型相關(guān)設(shè)備。被測試的排球運動員分別在兩個模型中錄入個人基本信息。測試時間為四天，測試期間排球運動員保持正常訓(xùn)練。被測試的排球運動員分別用傳統(tǒng)的訓(xùn)練動作評價模型和本文提出的訓(xùn)練動作評價模型對所獲得的左前臂、右前臂、左小腿、右小腿四個關(guān)節(jié)點軌跡信息進(jìn)行誤差率分析對比，實驗論證結(jié)果曲線如圖2所示。由圖中可以看出本文提出的基于數(shù)據(jù)挖掘的排球運動員訓(xùn)練動作評價模型比傳統(tǒng)的評價模型誤差率低，而且保持平穩(wěn)[6]，不受時間長度影響，基本維持在2.42%左右，完全符合動作評價模型對誤差率的要求。同樣的條件，選取左髖，左膝，右踝，右髖，右膝，右踝六個關(guān)節(jié)，做關(guān)節(jié)角度的評價結(jié)果測試，圖3是本文提出的基于數(shù)據(jù)挖掘的排球運動員訓(xùn)練動作評價模型的評價結(jié)果，圖4是傳統(tǒng)的訓(xùn)練動作評價模型評價結(jié)果。由兩種模型的評價結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)模型的評價結(jié)果只有分?jǐn)?shù)，本文的模型評價結(jié)果很詳細(xì)，對每一個關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)都有分析[7]，并且有專家和教練對訓(xùn)練動作的指導(dǎo)，往期訓(xùn)練結(jié)果多方面分析比較的數(shù)據(jù)等。

3結(jié)束語

本文模型以先進(jìn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備來獲取運動員動作信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并得出動作評價結(jié)果。實驗評估表明，本文提出的模型有極高的適用性，對排球運動員日常訓(xùn)練很有幫助。其中排球運動員的動作特征庫的數(shù)據(jù)，希望有關(guān)專業(yè)人士幫助進(jìn)行填充。模型的很多細(xì)節(jié)需要繼續(xù)完善，評價結(jié)果還可以輸出很多不同的數(shù)據(jù)，有待進(jìn)一步研究。

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作者：張東兵 單位：武漢科技大學(xué)體育學(xué)院